Symulacja chłodzenia układów elektronicznych

Moduł chłodzenia SolidWorks Flow Simulation 2011
Szybkie i wydajne rozwiązanie problemów za pomocą nowego narzędzia umożliwiającego ocenę właściwości termicznych komponentów oraz wymogów związanych z chłodzeniem.

Rys. 1. Model komputera z jego głównymi elementami. 1) Boczne otwory wentylacyjne, 2) Procesor, 3) Ciepłowód, 4) Radiator, 5) Wentylator, 6) Tylne otwory wentylacyjne, 7) Ciepłowód, 8) Northbridge, 9) Southbridge, 10) Moduł pamięci SODIMM, 11) Dolne otwory wentylacyjne, 12) Płyta główna, 13) Złącza dla urządzeń zewnętrznych
W kolejnych wydaniach Control Engineering Polska przedstawiać będziemy dostępne na rynku polskim programy CAD do projektowania układów elektronicznych i elektrycznych. Dodatkowo przedstawiane będą narzędzia do symulacji, np. termicznych dla projektowanych układów elektronicznych/elektrycznych.

W niniejszym wydaniu magazynu omawiamy wstępnie nowy moduł chłodzenia układów elektronicznych dostępny w pakiecie programu SolidWorks Flow Simulation 2011. Po szczegóły dotyczące przedstawianej wersji oprogramowania i modułu prosimy kontaktować się bezpośrednio z przedstawicielem firmy DS SolidWorks.

Rys. 2. Uproszczony model układu elektronicznego. 1) Osłona boczna wlotu powietrza, 2) Dwuopornikowy model procesora, 3) Ciepłowód, 4) Radiator, 5) Osłona tylna otworów wentylacyjnych, 6) Ciepłowód, 7) Dwuopornikowy model mostka Northbridge, 8) Dwuopornikowy model mostka Southbridge, 9) Moduł pamięci SODIMM, 10) Osłona dolna wlotu powietrza, 11) Płyta główna
Nowy moduł chłodzenia programu SolidWorks Flow Simulation 2011 został opracowany między innymi specjalnie z myślą o sprostaniu nietypowym wymaganiom projektantów układów elektronicznych. Moduł ten ułatwia wykonywanie symulacji, umożliwiając optymalizację zarządzania temperaturą w obudowach urządzeń elektronicznych. Narzędzie udostępnia takie funkcje, jak symulację ciepła Joule’a, dwuopornikowy moduł kompaktowy, moduł kompaktowy ciepłowodów i generator PCB. To nowe narzędzie przeprowadza użytkownika przez intuicyjną procedurę konfiguracji, umożliwiając stworzenie projektu. Przeprowadzanie symulacji przepływu powietrza i ciepła w komponentach elektronicznych jest możliwe bez opuszczania środowiska CAD SolidWorks.

Rys. 3. Ustalenie założeń charakterystyki pracy wentylatora

Ogólne założenia symulacji termicznej
Przeprowadzenie analizy termicznej komponentów i wymogów chłodzenia układu elektronicznego związane jest z określeniem następujących warunków wyjściowych i charakterystyki samego układu elektronicznego. Dla niniejszej analizy jako układ elektroniczny przyjmujemy obudowany przemysłowy komputer z wbudowanymi komponentami, między innymi pojedynczą płytą główną, procesorem, mostkami (Northbridge i Southbridge), radiatorem z dwoma ciepłowodami, gniazdami PCI i ISA dla płyty PC104, gniazdami SODIMM z zainstalowaną pamięcią oraz złączami dla urządzeń zewnętrznych umiejscowionymi na przedniej ścianie obudowy. Rysunek 1 przedstawia schemat komputera z opisanymi powyżej głównymi elementami.

Rys. 4. Określenie założeń wyjściowych

Powietrze o temperaturze pokojowej dostaje się do wnętrza komputera poprzez otwory wentylacyjne umiejscowione w ścianie bocznej i dolnej obudowy. Ogrzane przez procesor, Northbridge, Southbridge i kości pamięci DDR RAM powietrze jest usuwane z wnętrza obudowy za pomocą wentylatora. Dodatkowo ciepło generowane przez procesor i Northbridge przenoszone jest przez dwa ciepłowody do radiatora, a następnie oddawane jest do powietrza.
Zadaniem przeprowadzanej symulacji jest ustalenie warunków termicznych panujących wewnątrz obudowy komputera oraz upewnienie się, że poszczególne elementy komputera będą działały w optymalnych, bezpiecznych dla ich pracy warunkach termicznych.

Konfiguracja układu elektronicznego
W celu przeprowadzenia symulacji zostaną wprowadzone określone uproszczenia do układu elektronicznego, które nie będą miały wpływu zarówno na przepływ powietrza wewnątrz komputera, jak i na wymianę ciepła pomiędzy poszczególnymi elementami. Uproszczenia te polegają na nieuwzględnieniu otworów w gniazdach PCI i ISA, śrubek i złączy dla urządzeń zewnętrznych. Geometria wentylatora nie jest brana pod uwagę, a jedynie uwzględnione są pewne założenia graniczne pracy wentylatora. Dla przeprowadzenia symulacji dodatkowo założono, że procesor, Northbridge, Southbridge i kości pamięci DDR RAM będą zdefiniowane jako uproszczone dwuopornikowe modele termiczne. Rysunek 2 przedstawia uproszczony model komputera po uwzględnieniu opisanych założeń.

Rys. 5. Ustalenie założeń dla np. procesora jako dwuopornikowego modelu termicznego
W celu ustanowienia warunków granicznych dla przepływu powietrza przez układ elektroniczny wszystkie otwory wentylacyjne zostają zasłonięte cienką osłonką po stronie wewnętrznej obudowy. W ten sposób „eliminujemy” zjawiska turbulencji zachodzące podczas przepływu powietrza przez otwory wentylacyjne. Niemniej uwzględniony jest spadek ciśnienia, który odpowiada oporowi przepływu powietrza przez otwory wentylacyjne o określonej wielkości i konfiguracji.

Rys. 6. Wprowadzenie założeń dla Ciepłowodów
Podobne założenia dotyczą otworów wentylacyjnych umieszczonych przed wentylatorem – wentylator jest przymocowany bezpośrednio do ścianki, gdzie znajdują się te otwory. Ze względu na konstrukcję wentylatora pewna część tych otworów wentylacyjnych (środkowa) jest „zaślepiona” przez sam wentylator. Ogrzane powietrze usuwane jest więc przez pozostałe otwory, które tworzą pierścień. Dlatego też w modelu symulacyjnym w miejscu „zaślepionych” przez wentylator otworów wentylacyjnych „nakładamy” cienkie osłonki. Do modelu wprowadzane są natomiast odpowiednie dane dotyczące charakterystyki pracy wentylatora (rys. 3).

W celu dokładniejszego określenia warunków przepływu powietrza przez otwory wentylacyjne należy dodatkowo sprecyzować ich kształt oraz wielkość, liczbę ikonfigurację.

Rys. 7. Wprowadzenie założeń dla kontaktowej oporności termicznej występującej pomiędzy poszczególnymi powierzchniami elementów układu elektronicznego
Założenia wyjściowe
Założenia wyjściowe określa się w celu sprecyzowania ogólnych warunków pracy układu elektronicznego. Dodatkowo ustala się materiały, z jakich są zbudowane jego elementy (modele) i podaje ich właściwości. Dane, tj. jednostki miary, rodzaje materiałów zastosowanych w układzie elektronicznym, właściwości termiczne tych materiałów, charakterystyki przepływów energii pomiędzy połączeniami, uwarunkowania graniczne dla całego układu i poszczególnych jego elementów itp., są wprowadzane za pomocą odpowiednich okienek nawigacyjnych (rys. 4).

Dodatkowo podzespoły, tj. procesor, Northbridge, Southbridge i kości pamięci DDR RAM, definiowane są jako uproszczone dwuopornikowe modele termiczne (rys. 5). Model taki składa się z dwóch elementów nałożonych jeden na drugi o identycznych powierzchniach, wykonany z materiałów o bardzo wysokiej przewodności termicznej. Natomiast termiczna oporność pomiędzy wspólnymi powierzchniami tych dwóch elementów oraz pomiędzy podstawą dwuopornikowego modelu i płytą główną są modelowane i odpowiadają nieskończenie cienkim płytkom. Wartość energii cieplnej generowanej przez te podzespoły wylicza się na podstawie tej oporności termicznej.

Ciepłowodów używa się jako elementów przewodzących energię cieplną z powierzchni gorących na powierzchnie chłodne, np. z procesora do radiatora. Zakłada się, że wykonane są z prętów, których materiał charakteryzuje się bardzo wysoką przewodnością termiczną (rys. 6). Podobnie określa się założenia dla pozostałych elementów układu elektronicznego.
Kontaktowa oporność termiczna występuje pomiędzy stykającymi się powierzchniami elementów układu elektronicznego – pomiędzy elementami wykonanymi z materiałów stałych lub pomiędzy materiałem stałym i np. ciekłym lub lotnym. Kontaktowa oporność termiczna może być określona jako charakterystyczna wartość oporności termicznej dla danego materiału lub poprzez właściwości termiczne i grubość dla danego materiału łączącego dwie powierzchnie, np. pomiędzy procesorem a ciepłowodem (rys. 7).

Rys. 8. Określenie właściwości płyty SODIMM

Zakłada się, że omawiany model płyty SODIMM został wykonany z sześciu warstw materiału przewodzącego (np. miedzi) i pięciu warstw materiału dielektrycznego (FR4). Warstwy te są na przemian ułożone. Wprowadzenie odpowiednich danych pozwoli na określenie właściwości tej płyty. Wprowadzone wartości określają np. ciężar właściwy dielektryka i jego właściwości termiczne, materiału przewodzącego oraz określają wymiarowo płytę, liczbę warstw itp. (rys. 8).

Rys. 9. Wyniki przeprowadzonej symulacji
Po wprowadzeniu wymaganych informacji do modułu chłodzenia program przeprowadzi symulację zaprojektowanego układu elektronicznego (komputer) oraz określi warunki pracy dla tego układu elektronicznego. Na podstawie uzyskanych informacji możemy więc ustalić, czy wstępnie wybrane podzespoły i ich parametry zostały właściwie dobrane oraz sprawdzić, czy pod względem termicznym układ pracuje w warunkach optymalnych (rys. 9).

CE